平壤城北为日军攻击的重点。大同江正面开始的攻击，是为了牵制清军，使之不能往城北拨出更多的兵力。
在城北，勇将左宝贵同日军展开了殊死战斗。城外牡丹台的攻防战达到了白热化程度。
日军的朔宁支队和元山支队一开始就以牡丹台为目标，集中兵力进行攻击。
这一线是日军的主攻方向，因而也是平壤保卫战的最激烈战场。
守垒清军主要为悍将左宝贵所率奉军。
9月15日午夜零时，晓色森寂，雾气冥蒙，朔宁支队由国主岘宿营露地出发，凌晨4时30分向玄武门外东北方牡丹台外侧清军两个堡垒发起进攻。
日将立见尚文认为牡丹台地高垒固，是玄武门的天然屏障，是日军进攻的最大障碍，必须拔除。要拔除牡丹台据点，首先要攻占其外侧最东北方的清军第四堡垒。
于是日军一面在高地上排列山炮6门，向堡垒进行猛烈轰击；一面派两个中队的兵力，在旅团副官桂太郎上尉指挥下，向第四堡垒发起猛冲。
清军凭垒据守，以连发枪进行猛烈还击，击伤敌指挥官桂太郎及两个中队长小仓中尉和本间中尉。士兵伤亡20余人。但日军在炮火支援下连续发起冲锋。
战到7时30分左右，清军不支，终于放弃第四堡垒。日军占领第四堡垒后，将全部炮火集中于第三堡垒，支援向第三堡垒冲锋的富田少佐率领的步兵。驻第三堡垒的清军虽已处于孤立无援境地，但仍坚持应战，顽强抵抗，一直坚持战斗到8时才撤出堡垒。
与此同时，元山支队则向牡丹台外侧西北方清军两个堡垒发起攻击。
5时5分开始，日军元山部队集中炮火向牡丹台外侧西北方两个堡垒进行猛烈的炮击，掩护步兵冲锋。
守卫堡垒的清军进行顽强的抵抗。6时20分左右，战斗益趋激烈。
整个牡丹台外侧一带天崩地塌，双方射出的子弹、炮弹似落雁飞蝗，白日无光，山川为之改色，惨雾蒙蒙，愁云密密，互相混战，鲜血染地，草木皆红。
日军奋力冲锋，伤亡惨重。同时，元山支队集中炮火向牡丹台外西北方左翼第一堡垒猛轰。堡垒被毁，守垒清军被迫于6时50分退走。
不久，第二堡垒也在日军炮火猛烈攻击下失守。7时15分日军元山支队占领了玄武门外清军两个堡垒。
至此，从外侧掩护牡丹台的清军四座堡垒全部落于日军之手。日军元山支队和朔宁支队合兵一处，从东、北、西三个方向包抄牡丹台制高点，开始对守卫牡丹台清军实行三面合击。
位于玄武门外的牡丹台是平壤城的制高点，清军在此筑有坚固堡垒，垒壁高五丈，炮座完备，牡丹台的重要战略地位是不言而喻的。
牡丹台失守意味着全城处于日军炮火之下。
进攻日军，早已注目此地，企图一举夺占。因此，日军占领外围堡垒后，随即将炮兵阵地推进至第三堡垒，用排炮向驻守牡丹台清军集中轰击，掩护步兵进攻。
守牡丹台的部队为号称清军精锐的左宝贵部奉军。配备有克虏伯炮3门和格林速射炮、连发毛瑟枪，在左宝贵指挥下，清军据险全力死守，速射炮向进攻的日军步兵猛烈还击。
日军步兵在清军强大炮火攻击下，伤亡颇重，无法前进。为援助步兵冲锋，日军炮兵集中炮火，向牡丹台猛烈轰击。牡丹台外城连中三发榴霰弹，堡垒胸墙被毁，速射炮也被击坏，士兵死伤甚众。
日军乘势发起冲锋。清军虽拼力奋战，但禁不住日军榴霰弹的猛烈轰击。加以大炮被击毁，无法压制日军火力。在日军步炮夹攻下，牡丹台堡垒终于陷落，清军向玄武门败退。
这时，左宝贵正在玄武门指挥作战，见牡丹台失守，知大势已瓦解，决心以身殉国。
他穿上御赐黄马褂，亲临第一线督战。部下营官杨某见城上危险，欲挽宝贵下城避。左宝贵大怒，击之以掌。并亲自点燃大炮，向敌军轰击。部下感愤，“士卒皆激昂奋战”，拼死抵御，予进攻日军以重大杀伤。
正在酣战之际，忽来一弹，将清军大炮击毁，碎铁飞扬，贯穿左宝贵肋下。
左宝贵负伤不退，裹创再战。接着，又被“榴霰弹击伤左额，犹勉强撑持”。不久，又被流弹击中左胸，以身殉国。
左宝贵之死，是甲午中日战争中，清军高级将领牺牲战场，为国捐躯的第一人。
日军夺占玄武门，进入城内。但入城日军企图向城内推进时，遭到城内清军的猛烈射击。日军不知城内虚实，未敢贸然深入，退守牡丹台、玄武门以扼清军后路。
向箕子陵、七星门进攻的元山支队，在占领箕子陵时，遭到清军交叉火力的射击，死伤不少，无法继进，遂据守箕子陵后侧，以火力与清军对峙。
日军虽攻占了牡丹台、玄武门，但付出了重大的伤亡代价。仅元山支队伤亡将卒即达175人。
午后1时许，一队清军突然由七星门内奋勇杀出。其先锋部队200余人直向箕子陵日军右翼阵地冲杀，准备与日军肉搏。日军右翼眼看将被清军突破。
这时，日军炮兵立即向突击部队开炮，清军不支向七星门败退。1点30分左右，清军再次组织进攻，也被日军打败。但日军也未敢追击，固守阵地，等待时机，组织进攻。
进攻平壤西南一线的日军为野津道贯率领的第五师团本队。
该部日军于夜半由宿营地出发，早7时到达平壤西南之山川洞后，立即列炮于丘陵上向清军射击，同时出动步兵向清军堡垒进攻。
清军派出马队进行反击，遭到藏匿在高粱地里日军的伏击，二百数十骑清军马队全部牺牲。
9时以后，清军再次分别由朱雀门、七星门派出马队冲击日军山川洞阵地，均被日军打退。日军企图向清军阵地进攻，由于堡垒坚固，日军山炮无力加以摧毁。
同时，清军又奋勇固守，日军发动几次进攻，都未能得手。野津道贯见白昼组织进攻无效，便改变计划，准备于翌日凌晨乘晓雾再行攻击，遂停止进攻。至中午时，两军已实际上处于休战状态。
日中两军隔着大同江的战斗，难决胜败。
马玉昆善于防守，日军无法靠近。实际上，野津中将麾下的日军主力已经把子弹打光了。除了白刃战以外，已经不能再攻击。
